Агротехнические показатели олигомерных шин движителей колёсных тракторов класса 3

Введение. При выполнении технологических операций мобильная сельскохозяйственная техника воздействует своими движителями на почву. При проходе сельскохозяйственных тракторов и машин в почве возникают нормальные напряжения, которые способствуют уплотнению её в пахотном и подпахотном горизонтах [1, 2, 3]. Вследствие этого ухудшаются агрофизические свойства почвы, её водный, тепловой и воздушный режимы, что отрицательно сказывается на жизнедеятельности растений и приводит в конечном итоге к снижению урожая сельскохозяйственных культур [4]. Снижение негативного влияния на почву в значительной степени зависит от изыскания и создания на основе новой рецептуры резин и материалов, в том числе каучук-олигомерных композиций, высокоэластичных пневматических шин, способных работать при низких давлениях без снижения их ресурса [5]. В настоящее время различными отечественными и зарубежными фирмами создаются олигомерные шины. Например, австрийская фирма «Lim» создала типоразмерный ряд таких широкопрофильных шин.

Экспериментальных исследований агротехнических свойств олигомерных шин пока ещё недостаточно.

Уплотняющее воздействие движителей тракторов и другой сельскохозяйственной техники на почву принято оценивать по напряжениям, возникающим в пахотных и подпахотных горизонтах опорного основания (ГОСТ 26953-86. Техника сельскохозяйственная мобильная. Метод определения воздействия движителей на почву, ГОСТ 26954-86. Техника сельскохозяйст- венная мобильная. Метод определения максимального нормального напряжения в почве). Для определения агротехнических показателей ходовых систем необходимо определить пятно контакта шины колеса на жёстком основании. Площадь пятна контакта существенно зависит от размеров колеса и деформационных свойств материала шины.

Цель, задачи, объект, предмет исследований. Целью исследований и испытаний предусматривалось определение агротехнических показателей олигомерных типоразмера 66×43-25 и серийных шин 21,3R24, предназначенных для колёсных тракторов класса 3.

Программа исследований и испытаний включала:

• -    определение нормальных напряжений и основных агротехнических свойств почвы после прохода движителей, укомплектованных олигомерными 66×43-25 и серийными 21,3R24 шинами на поле, подготовленном под посев, и на стерне озимой пшеницы;

• -    определение по методике ГОСТ 2695386, ГОСТ 26954-86 соответствия олигомерной 66×43-25 и серийной 21,3R24 шин требованиям ГОСТ 26955-86. Техника сельскохозяйственная мобильная. Нормы воздействия движителей на почву.

В качестве объекта исследований были приняты: олигомерная шина типоразмера 66×43,00-25 и шина 21,3R24 (таблица 1).

Предмет научных исследований – агротехнические показатели олигомерных шин типоразмера 66×43-25 и серийных шин 21,3R24

ведущих движителей колёсных тракторов класса 3.

Метод исследования и условия проведения экспериментов. Метод исследования

– экспериментальный с использованием шинного тестера и специально разработанных приспособлений для определения напряжений в различных горизонтах почвы.

Таблица 1 – Характеристика испытываемых шин

Наименование параметров	Олигомерная шина	Серийная шина
Типоразмер шин	66×43-25	21,3R24
Наружный диаметр, мм	1723	1400
Ширина профиля, мм	1100	540
Статический радиус, мм	860	700
Высота рисунка протектора, мм	29,5	38
Масса шины с ободом, кг	448	200

Программа исследований и испытаний включала определение основных агротехнических показателей олигомерных шин 66×43-25 и серийных шин 21,3R24 на поле, подготовленном под посев (пар), и на стерне озимой пшеницы.

Полевые испытания шин проводились в агротехнические сроки на участках, удовлетворяющих основным требованиям ГОСТ 70572001. Тракторы сельскохозяйственные. Методы испытаний и зональных нормативов.

Участки для испытаний были ровными, угол наклона в любом направлении не превышал 10; отсутствовали следы от проезда техники после последней обработки, а уплотнение подпахотного горизонта не превышало равновесного значения. От краёв поля участки находились на расстоянии более 50 м и имели размеры 600×1000 м.

Характеристики участка, на котором проводились испытания с помощью шинного тестера, приведены в таблице 2.

Таблица 2 – Характеристики почвенных фонов

Наименование показателей	Фон	Слой почвы, см
		0–10	10–20	20–30	30–40	40–50	50–60
Влажность, %	пар	22,23	23,95	23,90	25,63	25,32	25,40
	стерня озимой пшеницы	25,24	24,31	24,23	23,87	24,11	24,21
Объёмная масса, г/см3	пар	0,85	1,14	1,29	1,31	1,32	1,32
	стерня озимой пшеницы	1,08	1,28	1,30	1,28	1,30	1,29

Значения нормальной нагрузки на колесо, соответствующее максимально нагруженному колесу трактора, и давления воздуха в шине при проведении испытаний олигомерных шин 66×43,00-25 и 21,3R24 приведены в таблице 3.

Комплекс измерительной аппаратуры позволял фиксировать [1, 2, 5, 6] напряжения в пахотных и подпахотных горизонтах почвы.

Таблица 3 – Нагрузочные режимы при проведении испытаний

Модель шины	Нормальная нагрузка, N, кН		Давление воздуха в шине, pW, МПа*		Прогиб шины, h, мм
	пар	стерня	пар	стерня	пар	стерня
66×43-25	28,5	28,5	0,06	0,09	379	195
21,3R24	26,0	26,0	0,10	0,11	-	-

*внутришинное давление воздуха устанавливалось согласно рекомендациям заводов-изготовителей.

Результаты исследований. Проведение основных экспериментальных исследований по определению агротехнических характеристик шин непосредственно на тракторе связано с трудностями по обеспечению необходимой точности измерения и устранения влияния целого ряда конструктивных факторов трактора. Поэтому нами для проведения научно-исследовательских работ использовалась специальная установка типа «шинный тестер» [7].

Нормируемыми показателями (ГОСТ 26953-86, ГОСТ 26954-86, ГОСТ 26955-86) являются максимальное давление движителя на почву q и нормальное напряжение о на глубине 0,5 м [6, 8, 9].

Максимальное давление колеса на почву qк2 определено согласно ГОСТ 26953-86 по формуле qmK g к  FK K1

где m – масса, создающая статическую нагрузку на почву единичным движителем;

g – ускорение свободного падения, м/с;

F – контурная площадь контакта протектора шины, определяемая на жёстком основании по ГОСТ 7057-2001, м²;

K – коэффициент приведения площади контакта протектора шины колеса с почвой к условиям работы на почвенном основании (зависит от наружного диаметра шины колеса);

K – коэффициент продольной неравномерности распределения давления по площади контакта шины, K = 1,5.

Масса m на каждом колесе измерена посредством платформенных весов.

Для определения площади F по отпечаткам шин на бетонной площадке подкладывался под предварительно взвешенное колесо трактора, на оси которого создается рабочая вертикальная нагрузка, металлический лист толщиной около 1 мм. Колесо опускалось строго вертикально до полной разгрузки домкрата и снова поднималось до отрыва от листа. После проворачивания на оси шина опять опускалась на лист и т.д. до получения сплошного отпечатка, по которому определялась контурная пло- щадь контакта.

Среднее давление колеса на почву, кПа, q   Kqк2 .

Максимальное нормальное напряжение (кПа) под одиночным движителем (по ГОСТ 26954-86):

0, 637 q arctg

ab

0,5 a ² + b ² + 0,25

0,5 a b a ² b ²+ 0,5

a ² + 0,25    b ² + 0,25    a ² + b ² + 0,25

где a и b – половина длины и ширины прямоугольной площади контакта, м.

Значения величин а и в для единичной шины определены из выражения вида:

а

F кп 2 в к ^,

b b   2к,

где b – ширина отпечатка контурной площади (определяется измерением наибольшего размера отпечатка в плоскости, перпендикулярной направлению вращения колеса), м.

Результаты расчётов приведены в таблицах 4 и 5 для весенне-полевых (верхние строки) и летних (нижние строки) сельскохозяйственных работ.

Максимальное нормальное напряжение в почве а _0,5 определено с учётом площади кон-

Как видно из таблиц 4 и 5, требованиям ГОСТ 26955-86 удовлетворяет олигомерная шина 66×43-25. Максимальное давление колеса с олигомерной шиной в пятне контакта на почву равно 89,51 и 96,97 кПа, а максимальные нормальные напряжения на глубине 50 см равны 19,44 и 15,30 кПа на весенне-полевых работах (влажности 0,7–0,9 НВ) и в летний период работ (влажность 0,6–0,7 НВ) соответственно.

Серийная шина 21,3R24 требованиям ГОСТ 26955-86 не удовлетворяет. Превышение максимального давления составляет 75,5 и 37,01%, а максимально допустимые напряжения в почве – на 90,8 и 58,9% над допустимыми значениями, соответственно на весенне-полевых работах и в летне-осенний период.

такта шины на жёстком опорном основании.

Однако методика расчёта максимальных нормальных напряжений в почве не учитывает ряд факторов, оказывающих влияние на величину нормальных напряжений в почве, таких даже, как тип почвы, её влажность и твёрдость и т.д.

В представляемой работе приведены результаты экспериментальных исследований напряжений, возникающих в почве при проходе движителей с серийными 21,3R2 и олигомерными 66×43-25 шинами.

Таблица 4 – Максимальные давления колёсного движителя на почву

Шина	Давление воздуха в шине, кПа	Масса, создающая нагрузку на колесо, кг	Контурная площадь контакта шины, м2	Коэффициент приведения площади контакта к условиям работы на почве, К 1	Площадь контакта шины с почвой, приведённая к условиям работы на почве, м2	Коэффициент продольной неравномерности распределения давления по площади контакта, К 2	Максимальное давление колеса на почву, кПа	Максимальные допустимые давления на почву колёсных движителей (ГОСТ 26955-86), кПа
21,3R24	0,10	2415	0,1772	1,15	0,2037	1,5	175,52	100
	0,11	2415	0,1621	1,15	0,1864	1,5	191,81	140
66×43-25	0,06	2850	0,4255	1,10	0,4685	1,5	89,51	100
	0,09	2850	0,3932	1,10	0,4325	1,5	96,97	140

Таблица 5 – Максимальные нормальные напряжения в почве

Шина	Давление воздуха в шине, кПа	Масса, создающая нагрузку на колесо, кг	Площадь контакта шины с почвой, приведённая к условиям работы на почве, м2	Среднее давление единичного движителя, кПа	Ширина отпечатка площади контакта шины, м	Длина отпечатка площади контакта шины, м	Максимальное нормальное напряжение в почве, кПа	Максимально допустимые нормальные напряжения в почве (ГОСТ 26955-86), кПа
21,3R24	0,10	2415	0,2037	117,01	0,231	0,40	47,70	25
	0,11	2415	0,1854	127,87	0,233	0,44	55,63	35
66×43-25	0,06	2850	0,4685	59,68	0,930	0,25	19,44	25
	0,09	2850	0,4325	64,64	0,930	0,23	15,30	35

Для измерения нормальных напряжений в почве использовались датчики напряжений 1 (рисунок 1), которые устанавливались в заранее подготовленные ниши 2 вертикальной скважины 3 на различной глубине (10, 20, 30, 40, 50 см) с предварительным натягом (рисунок 2). Провода 4 от датчиков напряжений выводились наружу к регистрирующей аппаратуре 5, расположенной на шинном тестере [10].

После установки датчиков в скважину устанавливался плотно прилегающий к стенкам скважины мешочек с песком 6, что исключало осыпание почвы в скважину при проходе колеса над скважиной с датчиками.

Скважины располагались на опытном участке на расстоянии 25 м друг от друга по прямой линии [10]. При этом движение шинного тестера осуществлялось так, чтобы колесо своей продольной осью симметрии проходило над датчиками напряжений 1, установленными на различной глубине в скважине 3 (рисунок 2).

Чтобы исключить влияние на регистрацию напряжений в почве трактора, с которым агре-гатируется шинный тестер, движение его осуществлялось задним ходом. Регистрацию напряжений начинали за 10–12 м до подхода колеса к вертикальной скважине с датчиками и заканчивали после удаления тестера от скважины на расстояние 10–12 м. После этого из скважины извлекали заглушку и датчики переносили к следующей очередной скважине, устанавливали и проводили очередные измерения в почве [10].

Измерение напряжений проводилось на двух фонах: на поле, подготовленном под посев (фон 1), и на стерне озимой пшеницы (фон 2).

Полученные экспериментальные данные (таблица 6 и рисунок 3) показывают, что с увеличением глубины нормальные напряжения в почве уменьшаются.

Рисунок 1 – Датчик замера нормальных напряжений в почве

Рисунок 2 – Схема установки датчиков напряжений в почве

Таблица 6 – Значения нормальных напряжений в почве, кПа

Шина	Фон	Слои почвы, см
		0–10	10–20	20–30	30–40	40–50
Олигомерная 66×43-25	фон 1	112	124	112	44	8
	фон 2	90	98	90	39	34
Серийная 21,3R24	фон 1	220	200	124	88	8
	фон 2	182	178	130	74	23

,д

Рисунок 3 – Нормальные напряжения в почве на пару ( а ) и стерне озимой пшеницы ( б )

Характер изменений напряжений по глубине для всех испытуемых вариантов идентичен. Однако на обоих фонах заметно значи- тельное преимущество олигомерной шины 66×43-25 перед шиной 21,3R24, особенно в пахотном горизонте. Нормальные напряжения в почве при проходе олигомерной шины 66×43-25 в пахотном горизонте (0–30 см) почвы в два раза ниже, чем у серийной шины 21,3R24 (см. таблицу 6, рисунок 3). В подпахотном горизонте преимущество олигомерной шины 66×43-25 менее заметно, и на глубине 50 см напряжения после прохода обеих шин одинаковы и составляют на поле, подготовленном под посев, и на стерне озимой пшеницы 8 и 25 кПа, соответственно.

Преимущество олигомерной шины 66×43-25 перед серийной шиной 21,3R24 по возникающим максимальным давлениям и нормальным напряжениям в пахотных горизонтах почвы вполне естественно, так как площадь контакта с опорным основанием олигомерной шины больше в 2,4 раза, чем у серийной шины.

В подпахотных горизонтах почвы это преимущество менее выражено и в конечном итоге на глубине 50 см и более вообще отсутствует. В связи с этим можно предположить, что площадь контактного отпечатка на величину напряжений в слоях почвы более 40–50 см влияния не оказывает, а величина напряжений зависит в основном от величины нагрузки. Аналогичные результаты получены при измерении напряжений в почве при проходе других мобильных энергетических средств.

Результаты экспериментальных данных по определению нормальных напряжений в почве показывают, что действительные напряжения на глубине 50 см значительно ниже расчётных, и требованиям ГОСТ 26955-86 удовлетворяют как олигомерная шина, так и серийная шина.

Выводы

• 1.    Олигомерная шина типоразмера 66×43-25 полностью удовлетворяет, а серийная шина типоразмера 21,3R24 не удовлетворяет требованиям ГОСТ 26955-86 по показателям, рассчитанным по ГОСТ 26953-86 и ГОСТ 26954-86.

• 2.    Диаметр, пятно контакта олигомерной шины 66×43-25 значительно превышают (в 1,23 и 2,40 раза, соответственно) такие же параметры шины 21,3R24. Нагрузка на колесо с олигомерной шиной на 10% выше, чем с шиной 21,3R24. Всё это, естественно, привело к резкому снижению вредного воздействия движителя на почву.

• 3.    В пахотных горизонтах по возникающим после прохода движителя напряжениям заметное преимущество имеет шина 66×43-25.

• 4.    В подпахотных горизонтах преимущество шины 66×43-25 менее заметно. На глубине 50 см напряжение при проходе обеих шин одинаково и составляет 8 и 25 кПа на поле, подготовленном под посев, и на стерне озимой пшеницы соответственно. Наибольшее влияние на величину нормальных напряжений в почве на глубине более 40 см оказывает масса, приходящаяся на движитель, размеры контактного отпечатка при этом не влияют на величину нормальных напряжений.

Величина нормальных напряжений в пахотных горизонтах почвы при проходе олигомерной шины в два раза ниже по сравнению с серийной шиной 21,3R24.